• 协议其实就是规定了一堆标准，用来定义计算机如何接入internet以及接入internet的计算机通信的标准；所以计算机都需要学习此标准、遵循此标准来进行信息传输(信息通信) ；
• 国际标准化组织：推出了OSI七层参考模型，将互联网通讯协议分成了不同的层，每一层都有专门的标准，以及组织数据的格式；
  • (应、表、会、传、网、数、物)
• 对于写程序来说，通常会将七层归纳为五层协议；
  • (应、传、网、数、物)
• 所以我们需要学习协议的规定了哪些标准；

物理层

物理层：定义物理设备的标准，如网卡网线，传输速率；最终实现数据转成电信号传输；

问题：如果只是单纯发送电信号是没有意义的，因为没有规定开头也没有规定结尾；要想变得有意义就必须对电信号进行分组；比如：xx位为一组、这样的方式去传输，这就需要“数据链路层"来完成了；

数据链路层

• 数据链路层定义：定义了电信号的分组的标准方式，一组数据称之为一个数据帧，这个标准遵循ethernet 以太网协议，以太网规定了如下几件事；
• 1.数据帧分为head 和data 两部分组成；其中head 长度固定18字节；
  • head ：发送者/源地址、接收者/目标地址(源地址6字节、目标地址6字节、数据类型6字节)
    • 源地址： MAC地址
    • 目标地址： MAC 地址
  • data ：主要存放是网络层整体的数据，最长1500字节，超过最大限制就分片发送；
• 2.但凡接入互联网的主机必须有一块网卡，网卡烧制了全世界唯一的MAC地址；
• 3.有了以太网协议规定以后，它能对数据分组、也可以区分数据的意义，还能找到目标主机的地址、就可以实现计算机通信；但是计算机是瞎的，所以以太网通信采用的是"广播"方式；

• 那什么是广播：
  • 假设我们都在一个小黑屋里面，大家互相通信靠吼，假设李雷让韩梅梅买包烟；
    • 1.数据：买烟(类型：干粮)
    • 2.源地址：李雷
    • 3.目标地址：韩梅梅
  • 此时屋子里所有人都收到了该数据包，但只有韩梅梅会接收执行，其他人收到后会丢弃；
• 如果我们将全世界的计算机都接入在一起，理论上是不是就可以实现全世界通信：
  • 首先：无法将全世界计算机放在一个交换机上，因为没有这样的设备；
  • 其次：就算放在同一设备上，每台计算机都广播一下，那设备也无法正常工作；
  • 所以：我们应该将主机划区域，隔离在一个又一个的区域中，然后将多个区域通过"网关/路由"连接在一起；

网络层

• 网络层定义：用来划分广播域，如果广播域内主机要往广播域外的主机发送数据，一定要有一个"网关/路由"帮其将数据转发到外部计算机；网关和外界通信走的是路由协议(这个我们不做详细阐述)。其次网络层协议规定了如下几件事；
  • 规定1：数据包分成： head和data 两部分组成；
    • head ：发送者/源地址、接收者/目标地址，该地址为IP地址；
    • data ：主要存放是传输层整体的数据；
  • 规定2： IP地址来划分广播域，主要用来判断两台主机是否在同一广播域中；
    • 一个合法IPV4地址组成部分=ip地址/子网掩码，在线子网计算器 (opens new window)
    • 如果计算出两台地址的广播域一样,说明两台计算机处在同一个区域中；

• 计算两台计算机是否在同一局域网(牵扯到如何发送数据)：
• 假设：现在计算机1要与计算机2通信,计算机1必须拿到计算机2的IP地址；
  • 如果它们处于同一网络(局域网) 10.0.0.1-->10.0.0.100 ：
    • 1.本地电脑根据数据包检查目标IP如果为本地局域网；
    • 2.直接通过交换机广播MAC寻址；将数据包转发过去；
  • 如果它们处于不同网络(跨局域网) 10.0.0.1-->39.104.16.126 ：
    • 1.本地根据数据包检查目标IP如果不为本地局域网，则尝试获取网关的MAC地址；
    • 2.本地封装数据转发给交换机，交换机拆解发现目标MAC是网关，则送往网关设备；
    • 3.网关收到数据包后，拆解至二层后发现请求目标MAC是网关本机MAC ；
    • 4.网关则会继续拆解数据报文到三层，发现目标地址不为网关本机；
    • 5.网关会重新封装数据包，将源地址替换为网关的WAN地址，目标地址不变；
    • 6.出口路由器根据自身路由表信息将数据包发送出去，直到送到目标的网关；

传输层

• 传输层的由来：网络层帮我们区分子网，数据链路层帮我们找到主机，但一个主机有多个进程，进程之间进行不同的网络通信，那么当收到数据时，如何区分数据是那个进程的呢；其实是通过端口来区分；端口即应用程序与网卡关联的编号。
• 传输层的定义：提供进程之间的逻辑通信；
• 传输层也分成： head和data 两部分组成；
  • head ：源端口、目标端口、协议(TCP、UDP)；
  • data ：主要存放是应用层整体的数据；

应用层

• 应用层定义：为终端应用提供的服务，如我们的浏览器交互时候需要用到的HTTP协议，邮件发送的SMTP,文件传输的FTP等。

TCP协议

• tcp可靠数据传输协议；为了实现可靠传输，在通信之前需要先建立连接，也叫“双向通路"，就是说客户端与服务端要建立连接，服务端与客户端也需要建立连接，当然建立的这个双向通路它只是一个虚拟的链路，不是用网线将两个设备真实的捆绑在一起；
• 虚拟链路的作用：由于每次通信都需要拿到IP和Port，那就意味着每次都需要查找，建立好虚拟通路，下次两台主机之间就可以直接传递数据；

三次握手

• 第一次：客户端要与服务端建立连接，需要发送请求连接消息；
• 第二次：服务端接收到数据后，返回一个确认操作(至此客户端到服务端链路建立成功) ；
• 第三次：服务端还需要发送要与客户端建立连接的请求；
• 第四次：客户端接收到数据后，返回一个确认的操作(至此服务端到客户端的链路建立成功)；
• 由于建立连接时没有数据传输，所以第二次确认和第三次请求可以合并为一次发送；

• TCP协议为了实现可靠传输，通信双方需要判断自己已经发送的数据包是否都被接收方收到，如果没收到，就需要重发。为了实现这个需求，就引出序号(seq) 和确认号(ack)的使用。
• 举例：发送方在发送数据包时，序列号(假设为123)，那么接收方收到这个数据包以后，就可以回复一个确认号(124=123+1)告诉发送方“我已经收到了你的数据包，你可以发送下一个数据包，序号从124开始”，这样发送方就可以知道哪些数据被接收到，哪些数据没被接收到，需要重发。

四次挥手

• 第一次挥手：客户端(服务端也可以主动断开)向服务端说明想要关闭连接；
• 第二次挥手：服务端会回复确认。但不是立马关闭，因为此时服务端可能还有数据在传输中；
• 第三次挥手：待到服务端数据传输都结束后，服务端向客户端发出消息，我要断开连接了；
• 第四次挥手：客户端收到服务端的断开信息后，给予确认。服务端收到确认后正式关闭。

转换状态

• 三次握手状态转换：
  • 1.客户端发送SYN包向服务端请求建立TCP连接，客户端进入SYN_SEND状态；
  • 2.服务端收到请求之后，向客户端发送SYN+ACK的合成包，同时自身进入SYN_RECV状态；
  • 3.客户端收到回复之后，发送ACK信息，自身进入ESTABLISHED状态；
  • 4.服务端收到ACK数据之后，进入ESTABLISHED状态。

• 四次挥手过状态转换：
  • 1.客户端发送完数据之后，向服务器请求断开连接，自身进入FIN_WAIT_1状态；
  • 2服务端收到FIN包之后，回复ACK包表示已经收到，但此时服务端可能还有数据没发送完成，自身进入CLOSE_WAIT状态，表示对方已发送完成且请求关闭连接，自身发送完成之后可以关闭连接；
  • 3.服务端数据发送完成后，发送FIN包给客户端，自身进入LAST_ACK状态，等待客户端ACK确认；
  • 4.客户端收到FIN包之后，回复一个ACK包，并进入TIME_WAIT状态；
  • 注意：TIME_WAIT状态比较特殊，当客户端收到服务端的FIN包时，理想状态下，是可以直接关闭连接了；但是有几个问题：
    • 问题1：网络是不稳定的，可能服务端发送的一些数据包，比服务端发送的FIN包还晚到；
    • 问题2：如果客户端回复的ACK包丢失了，服务端就会一直处于LAST_ACK状态，如果客户端没有关闭，那么服务端还会重传FIN包，然后客户端继续确认；
  • 所以客户端如果ACK后立即关闭连接，会导致数据不完整、也可能造成服务端无法释放连接。所以此时客户端需要等待2个报文生存最大时长，确保网络中没有任何遗留报文了，再关闭连接；
  • 如果机器TIME_WAIT过多，会造成端口会耗尽，可以修改内核参数tcp_tw_recycle=1端口重用；

UDP协议

• udp是不可靠传输协议；不可靠指的是传输数据时不可靠；
• udp协议不需要先建立连接，只需要获取服务端的ip+port，发送完毕也无需服务器返回ack ；
• udp协议如果在发送在数据的过程中丢了，那就丢了；